极限速度半经验算式的应用范围及其推广的实验研究

薄板或有限厚度板,受到弹丸撞击时,需要研究极限速度(最小穿透靶板速度)v_L。为了能用较少的试验数据确定v_L,用实验方法研究极限速度的半经验算式v_L~2=v~2-v_r~2的使用范围,并将其推广应用到估算速度v(?)2000m/s撞击的多层靶板的极限速度v_L。     

混凝土房屋结构靶的超高速撞击特性研究

为了研究动能武器对混凝土类目标的毁伤效果,采用试验和数值仿真手段,对钨合金弹丸超高速撞击混凝土房屋结构靶进行了研究,探讨了混凝土房屋结构靶在超高速撞击条件下的毁伤特点。试验所用的钨合金弹丸重35g,长径比为5,撞击速度2.5km/s;混凝土房屋结构靶抗压强度34.4MPa。研究发现:在开展的试验条件下,房屋结构靶顶层板和底层板被穿透,未发生解体破坏;靶体中加筋对靶体的穿孔大小及结构破坏没有明显的降低作用;速度2.5km/s的弹丸经撞击40mm厚混凝土板后的速度降到2.0~2.3km/s 范围内;弹丸超高速撞击混凝土房屋结构顶层板形成的碎片云速度较高,部分碎片对人员具有较强的杀伤效果,该部分碎片的扩张角为23°,在底层板上的分布范围大于穿孔大小。     

钢球对肥皂靶的撞击试验

为研究投射物对生物体的致伤效应,采用肥皂作为生物体模拟物,开展了Φ3.0mm 的钢球高速(0.96和1.88km/s)及超高速(3.52和4.98km/s)撞击肥皂靶的试验,获得了肥皂靶在钢球撞击下的损伤特征及其破坏规律。结果表明:高速试验条件下,钢球对肥皂靶的损伤主要表现为贯穿效果;超高速试验条件下,钢球撞击肥皂靶形成大尺寸半球形弹坑,其对肥皂靶的损伤表现为2个方面:一是大尺寸弹坑导致的“体积移除”,二是受超高速撞击的强烈冲击波影响,肥皂靶的破坏区域大于弹坑区域。     

穿地器穿孔混凝土靶

本文实验研究了长卵头穿地器高速穿孔混凝土靶,零攻角,正撞击。实验中测定并分析了穿地器的最大加速度及其和靶的变形特性。因是侵彻混凝土厚靶,非半无限靶,靶的后部显著痴裂,故该长卵头穿地器弹道稳定,生存速度高于720m/s。     

铝-铝超高速撞击气化产物运动特性测量与分析

根据超高速撞击条件下气化产物的产生机理和辐射特性，设计了获取气化产物冲击波运动速度的序列成像测量方法，并在超高速碰撞靶上开展了直径4.5 mm铝球以6 km/s左右速度撞击2A12中厚铝板的试验，测量得到了撞击气化产物冲击波的运动序列图像，对撞击气化产物冲击波运动半径、速度、气化产物总能和波后流场参量分布等进行了定量分析，获得了铝-铝超高速撞击气化产物的运动特性。研究表明:设计的测量方法能很好地获得撞击气化产物冲击波不同时刻的位置信息，可为分析气化产物运动特性提供数据支持；测量所得气化产物冲击波运动半径随时间变化关系与Taylor点爆炸模型拟合结果相符，证明了该模型理论可用于超高速撞击气化产物运动特性相关研究。     

2024-T42铝板抗球形钢弹侵彻特性研究

为了研究2024-T42铝合金平板的弹道毁伤特性,利用一级空气炮装置进行25.4mm球形钢弹垂直撞击2024-T42铝合金平板实验,得到铝板在钢弹侵彻下的损伤特性和弹道极限速度,之后基于LS-DYNA有限元软件对钢弹撞击过程进行仿真分析,并详细分析了钢弹撞击过程中铝板的损伤和变形。实验和仿真结果表明:5mm厚2024-T42铝合金平板在直径25.4mm球形钢弹撞击作用下的弹道极限速度为151.7m/s;钢弹侵彻过程中铝板发生局部剪切冲塞破坏和开裂损伤;钢弹初速度大于弹道极限速度,钢弹动能损失基本不变,钢弹初速度小于弹道极限速度,钢弹动能损失随初速度减小而减少。     

铝球超高速撞击铝板反溅碎片云团辐射特性研究

通过超高速撞击试验,获得了铝球撞击铝板反溅粒子云团在250~340nm波段的辐射特征光谱。在该波段辨认出铝原子的六条特征谱线,并对其伴线进行了解耦。根据所测光谱数据,使用多谱线法测量出不同撞击条件下的超高速撞击反溅粒子云团的温度,发现超高速撞击反溅粒子云团温度随弹丸直径和撞击速度的增加而增加;相较弹丸直径,反溅粒子云团温度对撞击速度更加敏感;最后拟合出反溅粒子云团温度与撞击参数之间的经验公式。对每条谱线波峰和整个波段分别进行了积分,研究发现谱线波峰积分强度、整个波段积分强度均与弹丸动能呈线性关系,并获得了谱线波峰积分强度与撞击动能之间的斜率系数,该系数可以表征在超高速撞击条件下该峰值的辐射效率。最后结合所得超高速撞击反溅粒子云团温度经验公式推导出基态原子数与撞击参数之间的关系,在此基础上探讨了超高速撞击反溅粒子云团原子离化率、气化率与撞击参数的关系。     

充水压力容器超高速撞击特性试验与仿真研究

通过试验和数值仿真研究铝球以约2.5 km/s的速度撞击球形充水压力容器的撞击特性,容器为先充约80%的水再充2.0MPa氮气的球形不锈钢压力容器。结果表明:超高速撞击充水压力容器的主要损伤为穿孔和爆裂;铝球撞击穿透容器后在水中减速明显,未对容器后壁造成明显损伤;压力容器的工作压力相同时,在相近的撞击参数下,设计压力小的压力容器更易发生爆裂。研究结果可为在轨航天器上的压力容器设计和空间碎片防护提供参考。     

动能侵彻子弹对混凝土厚靶贯穿深度预估研究

用柱形腔膨胀理论和对混凝土厚靶撞击侵彻试验结果来确定混凝土材料的特性参ｐｓｄ并以由确定的ｐｓｄ值和柱形腔膨胀理论公式预估动能侵彻子弹对混凝土厚靶的贯穿深度。７次不同撞击速度试验结果的统计表明：ｐｓｄ值的变化不大，它是表征混凝土材料对贯穿抗力大小的特性参数。     

编织复合材料弹体和靶板偏航撞击响应分析

为研究复合材料机匣在复合材料弹体撞击过程中弹体的破坏模式与机匣吸能特性,在ANSYS/LS-DYNA软件中基于连续损伤力学模型开展了一系列的复合材料弹体偏航撞击仿真。仿真结果表明:对于偏航撞击,随着偏航角度的增加,弹体剩余动能逐渐减小,靶板吸收的能量逐渐增大,主要是因为偏航角度越大,弹体与靶板接触面积逐渐增大。同时通过仿真得到钛合金弹体冲击复合材料靶板的计算结果,发现钛合金弹体临界穿透速度比复合材料弹体小,更易击穿靶板,因此复合材料叶片的使用不仅可以减轻叶片的质量,也有助于改善机匣包容性。     

硬38CrSi平头弹斜撞击45钢靶侵彻特性研究

利用有限元软件Autodyn,建立硬38CrSi平头弹斜撞击45钢靶板模型并验证其模型和参数的有效性,研究了平头弹不同撞击角度(30°、45°和60°)对靶板弹道极限、弹体剩余动能和靶板失效的影响。研究结果表明:弹道极限随撞击角度的增加而增加;弹体剩余动能随撞击角度的增加而减小;撞击角度增大,靶板破坏面积增大,破坏区域从三角形转化为与弹身纵截面近似的长条形。     

结冰风洞水滴直径标定方法研究

过冷水滴粒径大小是重要的结冰云雾参数,获知结冰风洞中的水滴直径,是得到定量结冰风洞实验结果的基础.对于结冰风洞内水滴直径单一或者分布比较集中的情况,提出了一种采用数值计算和结冰风洞实验相结合的手段标定水滴直径的方法.该方法首先采用拉格朗日法数值计算水滴运动轨迹,得到撞击极限随水滴直径变化的关系曲线,在此基础上,进行结冰风洞实验,测量实验得到的水滴撞击极限,通过在撞击极限与水滴直径关系曲线上进行插值,进而得到实验水滴直径大小.采用该方法对0.3m×0.2m结冰风洞内的水滴直径进行了标定,分别计算和测量了25m/s和35m/s两种速度条件下的水滴撞击极限,得到的水滴直径值相差不超过1μm,初步说明该方法的合理性.同时,对于结冰风洞内水滴粒径多尺寸分布的情况,还提出了相应的标定其容积平均直径MVD的方法,该方法在计算水滴收集率的基础上,通过测量驻点处的结冰厚度,实现对MVD的测量.采用本文提出的两种方法进行结冰风洞水滴粒径标定,只需要一般的长度测量工具即可进行,操作方便,成本低廉,克服了常规的水滴直径测量或标定需要专门设备的不足.     

多序列激光阴影成像技术研究及应用

为获取超高速碰撞过程中弹丸的飞行姿态及碰撞所产生的碎片云特性,开展了多序列激光阴影成像技术研究。利用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大和补偿滤光等技术解决了单色光带来的衍射和干涉噪声以及碰撞瞬间强烈的自发光干扰问题,并先后在碰撞靶上建立了2序列、4序列和8序列激光阴影成像系统。该系统可以获得最小间隔1μs、曝光时间10ns、像素1000万的多个不同时刻的超高速瞬态变化过程图像,并在超高速碰撞靶试验中得到应用,获得了2~7km/s 撞击速度时碎片云的多序列阴影图像,该序列图像清晰地描述了碎片云的轮廓发展变化过程。该技术以低成本的方式实现了超高速摄影机的功能,满足目前碰撞试验粒子的飞行姿态及碎片云显示需要,并可以应用于其它超高速瞬态过程测量及流场结构显示。     

基于环状超声速气流引射作用的靶式气流磨研究

气流磨作为生产超精细粉末的设备在工业界得到了广泛应用。通过数值模拟和试验验证，提出了一种超声速靶式气流磨。该气流磨采用环状超声速气流引射颗粒流，使其达到超声速状态并获得极大动能，以颗粒束形式维持于气流中心，准确碰撞靶头，实现超声速粉碎。对颗粒速度和运动轨迹的两相流数值模拟结果表明:在总压1.5 MPa、马赫数3.0的超声速气流引射作用下，粒径为25~1 μm的颗粒可加速至440~530 m/s，并精准地碰撞靶头。在此基础上，设计制造了超声速靶式气流磨并进行了铁粉粉碎试验和靶头侵蚀试验，结果表明:颗粒具有极大的碰撞能量，且与靶头发生了聚焦式碰撞。     

空间碎片超高速碰撞问题的SPH方法模拟

采用Tillotson物态方程和Steinberg-Cochran-Guinan(SCG)本构模型,利用光滑粒子流体动力学方法对铝质球形弹丸和柱状弹丸超高速撞击薄铝靶作了数值模拟.对于球形弹丸,通过对比实验结果和计算结果,二者吻合得较好,表明SPH方法能很好地模拟弹丸超高速碰撞问题及碎片云的形成过程.不同长径比的柱状弹丸45o斜碰撞碎片云前端均有一个近似锥形的突出,随着碰撞倾角的增大,突出的锥形前端逐渐消失,喷射角迅速增大,当碰撞倾角达到75o时绝大部分弹丸质量发生了跳弹.比较三种弹丸,长径比大的弹丸对靶板的破坏能力更强.     

航天器解体模型研究的新进展

航天器解体模型用于描述航天器因爆炸或碰撞解体所产生碎片的数量、尺寸、面质比以及速度等特性的分布规律,对于空间碎片环境建模与演化、空间碎片撞击风险评估及空间解体事件分析具有重要意义。分析了目前广泛使用的NASA标准解体模型的特点,介绍了近年来国内外在航天器解体模型方面的研究进展。国外的研究主要介绍了日本九州大学和德国EMI实验室开展的卫星撞击试验以及NASA最近启动的新一轮卫星撞击研究项目。国内的研究主要介绍中国空气动力研究与发展中心(CARDC )开展的卫星撞击试验和仿真研究,以及在此基础上发展的CARDC-SBM航天器碰撞解体模型,并比较分析了该模型与 NASA 标准解体模型的差别。对当前航天器解体模型研究存在的不足进行了分析,提出了下一步应关注的研究方向。     

引信液体储备电池双环境力模拟装置仿真研究

液体储备电池双环境力模拟装置主要用于模拟引信液体储备电池在炮弹发射时后坐与旋转双环境力。其关键的技术是安装引信电池的弹丸碰撞到高速旋转的木制冲击垫上,其瞬态冲击过程参数和弹丸转到额定转速所需要的时间是否符合引信电池的测试条件。因此进行弹丸冲击瞬态过程的仿真,研究在不同的弹丸炮口速度下,弹丸冲击过载和脉冲持续时间的变化规律、不同的冲击垫厚度下弹丸冲击过载和脉冲持续时间的变化规律、以及冲击垫带转弹丸到稳定转速的上升时间对模拟装置参数确定和优化都具有指导意义。     

超高速碰撞碎片云质量分布快速预测技术

在航天器防护构型设计中,快速预测空间碎片超高速碰撞防护屏产生碎片云的质量分布及其变化规律具有重要意义。本文初步探索了采用深度学习方法预测超高速碰撞碎片云的二维质量分布及其变化过程。训练数据来自约2000个弹丸（铝球）超高速正碰撞靶板（铝板）的光滑粒子流体动力学数值模拟结果,共考虑4个变量（弹丸速度范围3～8 km/s、弹丸半径范围2～8 mm、靶板厚度范围1～4 mm以及观测时间范围1～12 μs）。系统比较了反卷积模型和多层感知机两种模型的预测效果,重点考察了模型的外推能力（应用于训练参数范围之外）。研究结果表明:在训练参数范围内两种模型的预测精度都很高;反卷积模型能够捕捉到碎片云质量分布的颗粒特征,但外推能力较差;多层感知机模型将碎片云中的质量进行了局部均匀化处理,具有较强的外推能力;多层感知机模型通过学习1～12 μs的碎片云质量分布,能够以一定精度预测24 μs时刻的质量分布;反卷积模型的预测时间为毫秒量级,多层感知机模型的预测时间为秒量级。     

冰粒超高速撞击蜂窝板的数值模拟研究

随着人类航天活动日益增多,空间碎片环境逐渐恶化,对航天器在轨安全运行造成严重威胁,各国学者开展了空间碎片超高速撞击数值模拟研究。目前的研究中一般采用铝弹丸代替空间碎片,但是还有部分空间碎片的密度接近冰的密度,对于冰粒的超高速撞击研究还很少且不透彻。蜂窝板是构成航天器舱壁的主要结构,对航天器内部设备起到保护作用,有必要开展冰粒超高速撞击时对蜂窝板损伤情况的相关研究工作。本文对冰粒超高速撞击蜂窝板开展数值模拟研究,研究冰粒对蜂窝板的损伤情况。研究结果表明,冰粒在一定条件下能够击穿蜂窝板,大量冰粒碎片和蜂窝板碎片将从蜂窝板背面的孔洞中高速冲出,势必对航天器内部设备造成毁伤;在冰粒动能相差不大的情况下,冰粒尺寸和蜂窝板结构将成为影响冰粒撞击效果的主要因素,直径较大的冰粒对蜂窝板的损伤程度较严重。     

200犿自由飞弹道靶升级改造

200m自由飞弹道靶是国内唯一一座具备开展气动力、气动物理、材料抗粒子云侵蚀及超高速碰撞等地面试验研究的综合性弹道靶设备。为满足高超声速飞行器发展的进一步需求,2009年起气动中心对200m 自由飞弹道靶进行了升级改造,升级设备包括发射器系统、靶室/真空系统、测控系统、模型姿态测量系统等。改造后的发射器系统将新增203mm和120mm口径二级轻气炮,具备0.5~30kg模型发射速度0.3~5km/s 的发射能力;靶室由原来的Ф1.5m洞体升级至Ф3m洞体,同时配备新的真空设备,实现0~80km高度模拟;测控系统将扩大测试视场以满足大模型测控需要;模型姿态测量系统除阴/纹影照相系统外,还将新增双目前光成像定位系统、脉冲X射线成像测量系统等测试设备。改造后的200m自由飞弹道靶将成为大中小口径发射器配套齐全,兼具气动力特性、材料抗粒子云侵蚀、高速/超高速碰撞等试验能力的综合性弹道靶设备。